一种时差式超声波流量计及其简化算法
1 系统结构和工作原理
系统的硬件组成结构如图1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切换电路、A／D转换、自动增益控制、外部RAM和LCD显示等几部分构成的。DSP为数字处理核心，用于FIR滤波、相关运算等大量数据处理，整个系统的时序由FPGA控制，确保了时序的准确性。
超声波换能器A，B在FPGA的控制下，轮流工作在发射和接收状态．用以测量顺流、逆流时超声波传播的时间差，其谐振频率为1 MHz。接收信号经过选频放大滤除了部分干扰信号，再由自动增益控制AGC放大后送往A／D转换器，以每次25 ns的转换速度实现A／D转换，并存储到外部RAM中，整个过程都在FPGA的控制下进行，确保了时序的准确性。为了进一步提高运行的速度，DSP首先将外部RAM中的数据转存到内部RAM中，再进行55阶FIR滤波，经过FIR滤波后的信号，其采样速率较低，测量精度不够高，为了提高精度，这里进行了插值运算，插值后的两组信号再经过相关运算处理，便得出流体顺流和逆流的时间差，从而求出流体的流速。
2 滑动窗口接收技术
滑动窗口是在接收信号到达的前后才有效的一个时间窗口，窗口之外的信号一概不予处理，这样可以减小噪声的干扰并降低运算量。为保证检测信号的有效性，必须先去掉接收端的干扰，采用窗口和脉宽检测是两个行之有效的方法。测量窗口的初始位置是根据人机对话输入的参数设置的，并通过有效信号的检测位置不断调整窗口到合适的位置。窗口的设置限定了信号的接收范围，在一定程度上消除了噪声的干扰，同时也减少了要处理的信号样本数，降低了运算量。
滑动窗口的设置方法为：单片机根据人机对话输入的参数(管径、壁厚及流体)，计算出信号自发射探头到接收探头所需传播时间的近似值，根据该近似值控制数据采样的开始时间，每组数据采集15000个点，由于采集的数据足够多，完全可以保证有用数据能够被采集到。经过AGC电路的调整，当采集到的信号幅度满足要求时便对它们分别进行FIR滤波，再根据幅值找出有用信号的最大值点并进行信号有效性判断，信号确定为有效后再进行滑动窗口调整，将有用信号移动到有效窗口。由于换能器探头的谐振频率为1 MHz，采样频率为40 MHz，探头发射信号为5个周期，考虑到探头的余波，为了更好地采集接收信号，窗口宽度设定为800个信号点，即20个信号周期。图2所示为窗口调整前部分内存中的数据，从上面可以看到两组信号，前者幅度小，是超声波沿管壁直接传递而形成的，其传播速度快，传播时间短，后者是超声波沿正常路径传输的结果，幅度较大，也是需要的有用数据。图3是窗口调整后内存中的数据，可以看到，有效数据已被移动到最左侧的有效窗口中，后面的插值及相关运算都是只对该段数据进行。
3 插值及相关算法的简化
在超声波发生电路中，由同一触发脉冲触发2个相同的换能器产生超声波，测量中2路采集信号具有很大的相似性，因此能对信号进行相关处理。在超声波流量计中，对时间测量精度的要求很高，为了提高分辨率，可以采取一般的采样方法，然后通过数字信号处理中常用的插值算法，由软件提高系统的采样频率，从而提高时间的分辨率。
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